Puslaidininkiniai įtaisai – tipai, apžvalga ir naudojimas
Sparčią elektroninių prietaisų taikymo sferų plėtrą ir plėtrą lemia elementų bazės, kuria remiasi puslaidininkiniai įtaisai, tobulėjimas... Todėl norint suprasti elektroninių prietaisų funkcionavimo procesus, būtina žinoti įtaisas ir pagrindinių puslaidininkinių įtaisų tipų veikimo principas.
Puslaidininkinės medžiagos pagal savo specifinę varžą jie užima tarpinę padėtį tarp laidininkų ir dielektrikų.
Pagrindinės medžiagos puslaidininkiniams įtaisams gaminti yra silicis (Si), silicio karbidas (SiC), galio ir indžio junginiai.
Puslaidininkio laidumas priklauso nuo priemaišų buvimo ir išorinės energijos įtakos (temperatūros, spinduliuotės, slėgio ir kt.). Srovę sukelia dviejų tipų krūvininkai - elektronai ir skylės. Atsižvelgiant į cheminę sudėtį, išskiriami grynieji ir priemaišiniai puslaidininkiai.
Elektroninių prietaisų gamybai naudojami kristalinės struktūros kietieji puslaidininkiai.
Puslaidininkiniai įtaisai – tai įrenginiai, kurių veikimas pagrįstas puslaidininkinių medžiagų savybių panaudojimu.
Puslaidininkinių įtaisų klasifikacija
Remiantis ištisiniais puslaidininkiais, puslaidininkiniais rezistoriais:
Linijinis rezistorius - varža šiek tiek priklauso nuo įtampos ir srovės. Tai integrinių grandynų „elementas“.
Varistorius – varža priklauso nuo naudojamos įtampos.
Termistorius – varža priklauso nuo temperatūros. Yra du tipai: termistorius (kylant temperatūrai, varža mažėja) ir posistoriniai (kylant temperatūrai, varža didėja).
Fotorezistorius - varža priklauso nuo apšvietimo (spinduliavimo). Deformatorius – atsparumas priklauso nuo mechaninės deformacijos.
Daugumos puslaidininkinių įtaisų veikimo principas pagrįstas elektronų skylės sandūros p-n sandūros savybėmis.
Puslaidininkiniai diodai
Tai puslaidininkinis įtaisas su viena p-n sandūra ir dviem gnybtais, kurių veikimas pagrįstas p-n sandūros savybėmis.
Pagrindinė p-n sandūros savybė yra vienkryptis laidumas – srovė teka tik viena kryptimi. Įprastas grafinis diodo žymėjimas (UGO) yra rodyklės pavidalu, nurodantis srovės tekėjimo per įrenginį kryptį.
Struktūriškai diodas susideda iš p-n jungties, uždarytos korpuse (išskyrus atvirus mikromodulių rėmelius) ir dviejų gnybtų: iš p regiono anodo, iš n regiono katodo.
Šie. Diodas yra puslaidininkinis įtaisas, kuris praleidžia srovę tik viena kryptimi - nuo anodo iki katodo.
Srovės per įrenginį priklausomybė nuo naudojamos įtampos vadinama srovės įtampos charakteristikų (VAC) įtaisu I = f (U).Vienpusis diodo laidumas matyti iš jo I-V charakteristikos (1 pav.).
1 pav. Diodo srovės ir įtampos charakteristika
Pagal paskirtį puslaidininkiniai diodai skirstomi į lygintuvus, universalius, impulsinius, zenerio diodus ir stabilizatorius, tunelinius ir atvirkštinius, šviesos diodus ir fotodiodus.
Vienpusis laidumas lemia diodo ištaisymo savybes. Esant tiesioginiam prijungimui ("+" prie anodo ir "-" prie katodo) diodas yra atviras ir juo teka pakankamai didelė į priekį srovė. Atvirkščiai ("-" prie anodo ir "+" į katodą) diodas yra uždarytas, tačiau teka nedidelė atvirkštinė srovė.
Lygintuvų diodai skirti žemo dažnio kintamąją srovę (dažniausiai mažiau nei 50 kHz) paversti nuolatine, t.y. atsistoti. Pagrindiniai jų parametrai yra didžiausia leistina tiesioginė srovė Ipr max ir didžiausia leistina atvirkštinė įtampa Uo6p max. Šie parametrai vadinami ribojančiais – juos viršijus įrenginys gali iš dalies arba visiškai išjungti.
Šiems parametrams padidinti daromi diodų stulpeliai, mazgai, matricos, kurios yra nuoseklios lygiagrečios, tiltinės ar kitos p-n sandūrų jungtys.
Universalūs diodai naudojami ištaisyti sroves plačiame dažnių diapazone (iki kelių šimtų megahercų). Šių diodų parametrai yra tokie patys kaip ir lygintuvų, tik įvedami papildomi: maksimalus veikimo dažnis (MHz) ir diodo talpa (pF).
Impulsiniai diodai skirti impulsiniam signalui konvertuoti, jie naudojami didelės spartos impulsinėse grandinėse.Reikalavimai šiems diodams yra susiję su greito prietaiso atsako į tiekiamos įtampos impulsinį pobūdį užtikrinimu – trumpu diodo perėjimo iš uždaros būsenos į atvirą ir atvirkščiai laiką.
Zenerio diodai – tai puslaidininkiniai diodai, kurių įtampos kritimas mažai priklauso nuo tekančios srovės. Tai padeda stabilizuoti įtampą.
Varikapi - veikimo principas pagrįstas p-n-sankryžos savybe pakeisti barjero talpos vertę, kai joje pasikeičia atvirkštinės įtampos vertė. Jie naudojami kaip įtampos valdomi kintamieji kondensatoriai. Schemose varikapai įjungiami priešinga kryptimi.
Šviesos diodai - tai puslaidininkiniai diodai, kurių veikimo principas pagrįstas šviesos spinduliavimu iš p-n sandūros, kai per ją teka nuolatinė srovė.
Fotodiodai – atvirkštinė srovė priklauso nuo p-n sandūros apšvietimo.
Schottky diodai – pagrįsti metalo ir puslaidininkio jungtimi, todėl jų atsako dažnis yra žymiai didesnis nei įprasti diodai.
2 pav. Įprastas grafinis diodų vaizdas
Daugiau informacijos apie diodus rasite čia:
Lygintuvo parametrai ir schemos
Fotodiodai: prietaisas, charakteristikos ir veikimo principai
Tranzistoriai
Tranzistorius yra puslaidininkinis įtaisas, skirtas stiprinti, generuoti ir konvertuoti elektros signalus, taip pat perjungti elektros grandines.
Išskirtinis tranzistoriaus bruožas yra galimybė sustiprinti įtampą ir srovę - tranzistoriaus įvestyje veikiančios įtampos ir srovės lemia žymiai aukštesnių įtampų ir srovių atsiradimą jo išvestyje.
Plintant skaitmeninei elektronikai ir impulsinėms grandinėms, pagrindinė tranzistoriaus savybė yra jo gebėjimas būti atviroje ir uždarytoje būsenoje veikiant valdymo signalui.
Tranzistorius gavo savo pavadinimą iš dviejų angliškų žodžių tran (sfer) (re) sistor - valdomas rezistorius santrumpos. Šis pavadinimas nėra atsitiktinis, nes veikiant tranzistoriui įvesties įtampai, varža tarp jo išėjimo gnybtų gali būti reguliuojama labai plačiame diapazone.
Tranzistorius leidžia reguliuoti srovę grandinėje nuo nulio iki didžiausios vertės.
Tranzistorių klasifikacija:
— pagal veikimo principą: laukas (vienpolis), dvipolis, kombinuotas.
— pagal išsklaidytos galios vertę: maža, vidutinė ir didelė.
— pagal ribinio dažnio vertę: žemas, vidutinis, aukštas ir itin aukštas dažnis.
— pagal darbinės įtampos vertę: žema ir aukšta įtampa.
- pagal funkcinę paskirtį: universalus, armuojantis, raktas ir kt.
- pagal dizainą: su atviru rėmu ir dėžutės tipo versijoje, su standžiais ir lanksčiais gnybtais.
Priklausomai nuo atliekamų funkcijų, tranzistoriai gali veikti trimis režimais:
1) Aktyvus režimas - naudojamas stiprinti elektrinius signalus analoginiuose įrenginiuose.Tranzistoriaus varža keičiasi nuo nulio iki didžiausios vertės - sako, kad tranzistorius "atsidaro" arba "užsidaro".
2) Saturation režimas – tranzistoriaus varža linkusi į nulį. Šiuo atveju tranzistorius prilygsta uždaram relės kontaktui.
3) Atjungimo režimas — tranzistorius uždaras ir turi didelę varžą, t.y. jis prilygsta atviram relės kontaktui.
Prisotinimo ir išjungimo režimai naudojami skaitmeninėse, impulsinėse ir perjungimo grandinėse.
Dvipolis tranzistorius yra puslaidininkinis įtaisas su dviem p-n jungtimis ir trimis laidininkais, užtikrinančiais elektrinių signalų galią.
Bipoliniuose tranzistoriuose srovę sukelia dviejų tipų krūvininkų judėjimas: elektronai ir skylės, o tai lemia jų pavadinimą.
Diagramose leidžiama vaizduoti tranzistorius tiek apskritime, tiek be jo (3 pav.). Rodyklė rodo srovės tekėjimo tranzistoryje kryptį.
3 pav. Tranzistorių n-p-n (a) ir p-n-p (b) įprastinis grafinis žymėjimas
Tranzistoriaus pagrindas yra puslaidininkinė plokštė, kurioje suformuotos trys sekcijos su kintamo tipo laidumu - elektronas ir skylė. Priklausomai nuo sluoksnių kaitos, išskiriami du tranzistorių struktūros tipai: n-p-n (3 pav., a) ir p-n-p (3 pav., b).
Skleidėjas (E) — sluoksnis, kuris yra krūvininkų (elektronų arba skylių) šaltinis ir sukuria įrenginyje srovę;
Kolektorius (K) — sluoksnis, kuris priima iš emiterio ateinančius krūvininkus;
Bazė (B) - vidurinis sluoksnis, valdantis tranzistoriaus srovę.
Kai tranzistorius yra prijungtas prie grandinės, vienas iš jo elektrodų yra įvestis (įjungtas įvesties kintamo signalo šaltinis), kitas - išėjimas (apkrova įjungta), trečiasis elektrodas yra bendras įėjimui ir išėjimui. Daugeliu atvejų naudojama bendra emiterio grandinė (4 pav.). Pagrindui taikoma ne didesnė kaip 1 V įtampa, kolektoriui – daugiau nei 1 V, pvz., +5 V, +12 V, +24 V ir kt.
4 pav. Bendro emiterio bipolinio tranzistoriaus schemos
Kolektoriaus srovė atsiranda tik tada, kai teka bazinė srovė Ib (nustatyta Ube).Kuo daugiau Ib, tuo daugiau Ik. Ib matuojamas mA vienetais, o kolektoriaus srovė – dešimtimis ir šimtais mA, t.y. IbIk. Todėl, kai bazei taikomas mažos amplitudės kintamosios srovės signalas, mažasis Ib pasikeis, o didelis Ic – proporcingai jam. Į grandinę įtraukus apkrovos varžos kolektorius, į jį bus paskirstytas signalas, kartojantis įėjimo formą, bet didesne amplitude, t.y. sustiprintas signalas.
Didžiausi leistini tranzistorių parametrai visų pirma apima: didžiausią leistiną galią, išsklaidytą ant kolektoriaus Pk.max, įtampą tarp kolektoriaus ir emiterio Uke.max, kolektoriaus srovę Ik.max.
Ribojantiems parametrams padidinti gaminami tranzistorių mazgai, kurių viename korpuse gali būti iki kelių šimtų lygiagrečiai sujungtų tranzistorių.
Bipoliniai tranzistoriai dabar naudojami vis rečiau, ypač impulsinės galios technologijose. Juos keičia MOSFET ir kombinuoti IGBT, turintys neginčijamų pranašumų šioje elektronikos srityje.
Lauko tranzistoriuose srovę lemia tik vieno ženklo (elektronų arba skylių) nešėjų judėjimas. Skirtingai nei dvipolis, tranzistoriaus srovę varo elektrinis laukas, kuris keičia laidžiojo kanalo skerspjūvį.
Kadangi įvesties grandinėje nėra įėjimo srovės, šios grandinės energijos suvartojimas praktiškai lygus nuliui, o tai neabejotinai yra lauko tranzistoriaus privalumas.
Struktūriškai tranzistorius susideda iš n arba p tipo laidaus kanalo, kurio galuose yra sritys: šaltinis, skleidžiantis krūvininkus, ir nutekėjimas, kuris priima nešiklius.Elektrodas, naudojamas kanalo skerspjūviui reguliuoti, vadinamas vartais.
Lauko tranzistorius yra puslaidininkinis įtaisas, reguliuojantis srovę grandinėje, keisdamas laidžiojo kanalo skerspjūvį.
Yra lauko tranzistoriai su užtaisais pn sandūros pavidalu ir su izoliuotais užtaisais.
Lauko tranzistoriuose su izoliuotais užtaisais tarp puslaidininkinio kanalo ir metalinių užtvarų yra izoliacinis sluoksnis iš dielektrinių - MIS tranzistorių (metalas - dielektrikas - puslaidininkis), specialus korpusas - silicio oksidas - MOS tranzistoriai.
Integruoto kanalo MOS tranzistorius turi pradinį laidumą, kuris, nesant įvesties signalo (Uzi = 0), yra maždaug pusė didžiausio. MOS tranzistoriuose su indukuotu kanalu, kai įtampa Uzi = 0, išėjimo srovės nėra, Ic = 0, nes iš pradžių nėra laidžio kanalo.
MOSFET su indukuotu kanalu taip pat vadinami MOSFET. Jie daugiausia naudojami kaip pagrindiniai elementai, pavyzdžiui, perjungiant maitinimo šaltinius.
Pagrindiniai elementai, pagrįsti MOS tranzistoriais, turi nemažai privalumų: signalo grandinė nėra galvaniškai prijungta prie valdymo veiksmo šaltinio, valdymo grandinė nevartoja srovės ir turi dvipusį laidumą. Lauko tranzistoriai, skirtingai nei dvipoliai, nebijo perkaitimo.
Daugiau informacijos apie tranzistorius rasite čia:
Tiristoriai
Tiristorius yra puslaidininkinis įtaisas, veikiantis dviem pastoviomis būsenomis - mažo laidumo (tiristorius uždarytas) ir didelio laidumo (tiristorius atidarytas). Struktūriškai tiristorius turi tris ar daugiau p-n sandūrų ir tris išėjimus.
Be anodo ir katodo, tiristoriaus konstrukcijoje yra numatytas trečiasis išėjimas (elektrodas), kuris vadinamas valdikliu.
Tiristorius skirtas bekontaktiniam elektros grandinių įjungimui (įjungimui ir išjungimui). Jie pasižymi dideliu greičiu ir galimybe perjungti labai reikšmingo dydžio sroves (iki 1000 A). Juos pamažu keičia perjungimo tranzistoriai.
5 pav. Įprastas – grafinis tiristorių žymėjimas
Dinistoriai (dviejų elektrodų) - kaip ir įprasti lygintuvai, jie turi anodą ir katodą. Didėjant tiesioginei įtampai prie tam tikros vertės Ua = Uon, dinistorius atsidaro.
Tiristoriai (SCR - trijų elektrodų) - turi papildomą valdymo elektrodą; Uin keičia valdymo elektrodu tekanti valdymo srovė.
Norint perkelti tiristorių į uždarą būseną, reikia įjungti atvirkštinę įtampą (- anodui, + katodui) arba sumažinti tiesioginę srovę žemiau vertės, vadinamos Iuder laikymo srove.
Fiksuojantis tiristorius - gali būti perjungiamas į uždarą būseną taikant atvirkštinio poliškumo valdymo impulsą.
Tiristoriai: veikimo principas, konstrukcija, tipai ir įtraukimo būdai
Triacai (simetriniai tiristoriai) - laidi srovę abiem kryptimis.
Tiristoriai naudojami kaip artumo jungikliai ir valdomi lygintuvai automatikos įrenginiuose ir elektros srovės keitikliuose. Kintamosios ir impulsinės srovės grandinėse galima pakeisti tiristoriaus atviros būsenos laiką, taigi ir srovės tekėjimo per apkrovą laiką. Tai leidžia reguliuoti apkrovai paskirstytą galią.